Способ изготовления композиционных материалов Советский патент 1992 года по МПК C22C1/09 B22F3/26 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при получении композиционных материалов (далее КМ) пропиткой пористого каркаса-основы расплавленным металлом.

Известен способ пропитки пористого тела металлом, при котором пористое тело предварительно нагревают и дегазируют в вакуумной печи, затем пропитывают при пониженном давлении металлом и подвергают в металлической форме воздействию избыточного давления до 100-200 МПа (см. пат. ФРГ № 2413977. кл. В 22 F 3/26, опубл. 01.12.77).

Недостатком этого способа являются взрывоопасность из-за применения сжатого газа для создания избыточного давления и высокая себестоимость КМ за счет высокой стоимости оборудования для пропитки (стоимость газостата составляет от 400 тыс. до 1,5-2 млн долларов).

Известен также способ получения КМ, при котором армирующий каркас предварительно вакуумируют с одной из его сторон, а с противоположной подвергают пропитке матричным сплавом под давлением до 100 МПа, не прекращая вакуумирования (см. заявку Японии №62-67134, м.кл. В 21 С 23/00 заявл. 19.09.85, опубл. 26.03.87).

Недостатками этого способа являются его взрывоопасность и высокая себестоимость получаемого КМ по указанным причинам.

Известен также способ получения КМ, при котором армирующий каркас помещают под зеркало расплавленного матричного сплава, дегазируют созданием вакуума над матричным сплавом и ведут пропитку, создавая избыточное газовое давление над зеркалом матричного сплава (сгс. а.с. СССР № 416155, М. кл. В 22 D 29/02. заявл. 27.12.71, опубл. 04.07.74)

vj ел о

С°

te

Недостатками этого способа являются его взрывоопасность и высокая стоимость получаемого КМ по указанным причинам.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ горячего изостатиче- ского прессования порошков, при котором навеску уплотняемого порошка, находящуюся в герметичной оболочке, помещают в камеру, заполняемую рабочей жидкостью, затем изменяют температуру рабочей жидкости, осуществляя ее термическое расширение, в результате чего к порошку прикладывается всестороннее давление и он уплотняется (см. пат. США № 4264556, М.кл. В 22 F 3/02, заявл. 27.08.79, опубл. 28.04,81). В этом способе достигнута взры- вобезопасность процесса. Снижена также себестоимость получаемых материалов за счет снижения стоимости оборудования.

Недостатком этого способа при его использовании для получения КМ пропиткой является возможность получения КМ низкого качества в связи с тем, что не регламентируется температура нагрева рабочей жидкости (например, расплава матричного сплава). При недостаточно высокой температуре величина расширения рабочей жидкости и создаваемое при этом давление недостаточны для обеспечения требуемой степени заполнения открытых пор армирующего каркаса матричным сплавом; при чрезмерно высокой-температуре нагрева величина термического расширения расплава и создаваемое давление настолько велики, что вызывают местные разрушения структуры армирующего каркаса (разломы стенок ме жду открытыми и закрытыми порами, появление трещин).

Целью изобретения является повышение качества КМ.

Для этого в способе изготовления композиционных материалов, включающем погружение пористого тела в расплав матричного сплава, вакуумную дегазацию, пропитку под действием избыточного давления, получаемого за счет термического расширения расплава в замкнутом объеме емкости для пропитки, последующие охлаждение и кристаллизацию, термическое рас- ширение расплава осуществляют повышением температуры расплава от начала к концу пропитки па величину At, рзвVn+V0P 5., G

НУЮ fd-тг гДе Vn объем открытых

VQ (р-рс)

пор; V0 - исходный объем расплава в емкости для пропитки при температуре начала пропитки; Р-давление, требуемое для пропитки; д - сжимаемость матричного сплава

при температуре пропитки; / ,/Зс - соответственно коэффициенты объемного расширения матричного сплава и. материала емкости для пропит ки в диапазоне температур пропитки.

При этом в качестве расплава матричного сплава используют расплав свинца, а в качестве пористого тела - графит.

Определение At по приведенной метрической зависимости позволяет учесть величину нагрева, необходимую для компенсации объема открытых пор армирующего каркаса за счет термического расширения матричного сплава, и обеспечивает создание

требуемого давления пропитки Р, что позволяет получить КМ высокого качества с высокой степенью заполнения объема открытых пор каркаса матричным сплавом. Использование в качестве расплава

матричного сплава расплава свинца, а в ка-. честве пористого тела графита позволяет получать композиционный материал, широко применяемый в химической промышленности для изготовления подшипников

скольжения и торцовых уплотнителей, работающих в агрессивных средах.

Схема осуществления способа представлена на фиг. 1 и 2.

Способ осуществляют следующим образом.

Армирующий каркас 1 располагается в емкости 2 для пропитки под слоем расплавленного матричного сплава 3, полностью заполняющего рабочий объем емкости для

пропитки. Армирующий каркас удерживается под слоем мат ричного сплава захватом 4. Емкость для пропитки герметично закрывается крышкой 5 (фиг. 1).

При осуществлении способа размещают армирующий каркас 1 в захвате 4 на дне емкости 2, нагревают емкость с каркасом 1 до температуры на 30-200°С выше температуры ликвидус матричного сплава, заливают емкость 2 расплавленным матричным сплавом 3, полностью покрывая им армирующий каркас 1, герметично закрывают емкость 2 (фиг. 1) сменной крышкой с газоотводной трубкой (фиг. 2), производят вакуумную дегазацию армирующего каркаса созданием

вакуума над слоем матричного сплава, поддерживая температуру последнего на 30- 200°С выше его температуры ликвидус, снимают сменную крышку (фиг. 2), доливают матричный сплав в емкость 2 до верхнего ее

обреза, герметично закрывают емкость 2

крышкой 5 (фиг. 1) и производят нагрев этой

емкости от начала к концу пропитки на At с

изотермической выдержкой при давлении

(Р, снимают крышку 5, извлекают полученный КЛ/1 и производят его охлаждение с кристаллизацией матричного сплава в порах,

П р и м е р 1. По предложенному способу был получен КМ графит-свинец с использованием графита марки ГЭ имеющего откры- тую пористость 18 об.%, Образец графита был выполнен в виде цилиндра диаметром 50 мм и высотой 50 мм. Таким образом, объем графитового каркаса составлял 98,125 см3, обьем пор в каркасе Vn состав- лял 17,6625 см . Емкость для пропитки была выполнена в виде толстостенного стакана из стали 12Х18Н10Т, герметично закрываемого крышкой. Размеры стакана: внутренний диаметр 125 мм, высота внут- реннего цилиндра 250 мм, толщина стенки 20 мм.«Внутренний объем емкости для пропитки составлял 3066,406 см3. На дно емкости для пропитки в специальное удерживающее приспособление устанавли- вали графитовый каркас и нагревали емкость до 400°С. Одновременно в тигле расплавляли свинец, нагревая его также до 400°С. Затем расплав свинца заливали в емкость для пропитки до половины ее высо- ты с тем, чтобы расплав локрывал графитовый каркас, после чего емкость закрывали крышкой с газоотводной трубкой и вакууми- ровали до давления 5 х мм рт.ст. с выдержкой 10-15 мин при 400°С. При этом происходила вакуумная дегазация графитового каркаса. Затем снимали крышку с газоотводной трубкой, доливали свинец с температурой 400°С до верхнего обреза емкости для пропитки с появлением на этом обрезе выпуклого мениска жидкого свинца, герметично закрывали емкость сплошной крышкой с удалением избытка свинцз. и обеспечением отсутствия в емкости газовых пузырей и нагревали емкость до требуемой температуры, обеспечивая заполнение открытых пор каркаса расплавом матричного сплава за счет повышения давления в емкости при термическом расширении свинца,

По техническим данным оптимальным давлением при пропитке графитового каркаса указанного типа металлом является МПа.

Определение величины нагрева Дг про- изводилось по приведенной математической зависимости. При этом значение Р -fie для свинца и стали 12Х18Н10Т взяли из собственных экспериментов и приняли (с точностью до 2,5%) равным 50 х 1 /град для интервала температур 400-600°С. Значение б для свинца, равное 4,25 х , взяли из литературных данных, как среднее для интервала температур 450-550°С.

Объем свинца в емкости для пропитки при температуре начала пропитки равен разнице между внутренним объемом емкости для пропитки и объемом пропитываемого образца. Таким образом. V0 2968,281 см3.

Далее определяли температуру нагрева матричного сплава, позволяющую получить давление пропитки, равное 12 МПа и находящееся на нижнем пределе оптимального диапазона. При этом температуру начала пропитки принимали равной 400°С.

At

Vn + V0P б

v0(/3-AO

17.6625 + 2968,281 х 12 х 106 х 4.25 х 2968,281 х 50 х

129,2°С.

Таким образом, пропитка производилась при529°С.

Нагрев стакана при пропитке производили в шахтной печи сопротивления. Изотермическая выдержка при 529°С составляла 20 мин, после чего КМ извлекался из расплава и охлаждался на воздухе.

Полученный КМ испытывался на прочность при сжатии, степень заполнения открытых пор (плотность пропитки) оценивалась по удельному весу КМ до и после пропитки, структура КМ оценивалась по результатам металлографических исследований.

Результаты испытаний приведены в таблице.

П ример2. По предложенному способу был получен КМ, аналогичный описанному в примере 1,

Пропитка производилась при давлении 15 МПа, что обеспечивалось температурой нагрева матричного сплава и емкости для пропитки, равной 532°С.

Результаты испытаний КМ приведены в таблице.

ПримерЗ.По предложенному способу был получен КМ, аналогичный описанному в примере 1.

Пропитка производилась при давлении 18 МПа, что обеспечивалось температурой нагрева емкости для пропитки, равной 535°С.

Результаты испытаний КМ приведены в таблице.

В сравнении с получением КМ по способу-прототипу (пат, США № 4264556, М.кл. В 22 F 3/02, заявл. 27.08.79, опубл. 28.04.81) предлагаемый способ позволяет повысить качество КМ за счет точного дозирования

величины нагрева расплава матричного сплава и получения термического расширения последнего, приводящего к созданию требуемого давления пропитки и заполнению открытых пор графитового каркаса.

Формула изобретения 1. Способ изготовления композиционных материалов, включающий погружение пористой заготовки в расплав, вакуумную дегазацию, нагрев и воздействие избыточным давлением на заготовку за счет термического расширения расплава в замкнутом объеме емкости, последующее охлаждение и кристаллизацию, отличающийся тем, что, с целью повышения качества композиционного материала, в качестве расплава используют расплав матричного сплава, а при нагреве дополнительно проводят пропитку заготовки, при этом температуру рас-

плава повышают на величину At, рассчитываемую по формуле

AtVn + УоР б

VoOS-AO

где Vn - объем открытых пор заготовки;

Vo - исходный объем расплава до нагрева;

Р - давление пропитки; д - сжимаемость матричного сплава при температуре пропитки

/,/Зс - соответственно коэффициенты объемного расширения матричного сплава и материала емкости в интервале температур пропитки.

2. Способ по п. 1,отличающийся тем, что при пропитке в качестве расплава матричного сплава используют расплав свинца, а в качестве пористой заготовки - графит,

Использование: получение композиционных материалов пропиткой пористого каркаса-основы расплавленным металлом. Сущность изобретения: заготовку погружают в расплав матричного сплава, проводят вакуумную дегазацию, нагревают, повышая температуру расплава на величину Д t, и проводят пропитку заготовки расплавом. При этом A t Vn+VpP 5/Vo(|S ), где Vn - объем открытых пор заготовки; V0 - исходный объем расплава до нагрева; Р - давление пропитки; б - сжимаемость матричного сплава при температурах пропитки, / , - соответственно коэффициенты объемного расширения матричного сплава и материала емкости в диапазоне температур пропитки. В качестве расплава используют расплав свинца, а в качестве заготовки - графит. 1 табл., 2 ил. СО С

,УчУУУ

t